CN107703636A - 抗反射的激光匀光装置 - Google Patents

Abstract

本发明在使用匀光管对光纤输出的激光束进行匀化的结构中，增加了反射结构，将被激光照射的材料上的大部分反射光再次反射回匀光管，在提高了激光利用效率的同时，减少了反射造成的影响，实现了结构的长期稳定性，提供了一种结构简单、容易实现、低成本的抗反射激光匀光结构。

Description

抗反射的激光匀光装置

技术领域

本发明涉及一种将光纤输出激光的光分布匀化的结构装置，它特别地具有抗反射的功能，适用于光纤输出的激光器，属于激光应用领域。

背景技术

在激光器的应用当中，经常对光斑或光束形状有特殊要求，例如方形均匀光斑。实践中通常需要利用特殊光学元件和光路，例如各种形式的匀光管或透镜阵列等，来改善光斑均匀性，或改变光斑形状。具体说来，例如半导体激光器以其体积小、重量轻、效率高、寿命长、波长范围广等独特的优势，已成为发展快、应用广的核心器件。但是半导体激光器输出的光斑强度分布是不均匀的，特别是大功率多模半导体激光器。在很多场合需要用匀光装置来对光斑进行匀化。还有一些应用当中需要将激光器的输出光通过多模光纤耦合输出，但通常的多模光纤输出光束质量不佳，光强分布不均匀，而且很难控制，这时也需要匀光手段。例如，在激光显示、激光医疗美容等对出射光斑均匀性有要求的应用中，会采用一个六面抛光的玻璃六面体匀光管，使从光纤输出的发散激光束从一端输入，利用光在其内部进行多次的全反射，实现出口处光的均匀化。

一般情况下，匀光管需要直接接触或接近被照射的工作材料表面，或者输出光经过成像光学系统照射在工作材料表面。工作表面的反射光会有一部分甚至大部分返回匀光管。尤其对于反射率高的材料或是表面光洁度较高的材料，在以直接接触或者完全成像方式进行工作时，大部分甚至几乎全部反射光会返回匀光管。这部分回返光，会无损地从匀光管的光输入端反向传播并射出，被光纤、激光器以及附属固定装置吸收，转化为热量，如果处理不当，极易造成输出装置过热，严重的会导致烧毁。这个问题在激光加工领域的焊接、熔覆等应用当中也比较常见，目前没有特别简便有效的解决方法。

发明内容

本发明提供了一种光纤输出激光器的抗反射匀光输出结构。

整个结构包括光纤（1）、匀光管（3）、反射结构和固定装置（2）。激光束从光纤（1）输出，照射到匀光管（3）内，利用其内部的多次全反射，在出口形成均匀化的光分布。反射结构将工作时从出口回来的回返光再次反射回匀光管，正向传输，实现二次利用，避免了这部分反向传输的光能量被光纤、激光器、固定结构等吸收发热，从而提高整个结构的稳定性和可靠性。在反射结构上，光纤输出的光束通过的部分为透光，其他部分为反光。

固定装置（2）将光纤（1）、匀光管（3）和反射结构固定到一起。

匀光管（3）为玻璃或晶体材质，外形是柱状体或喇叭状，截面可以是正方形、长方形、圆形、椭圆形或任意多边形，所有面均抛光，出射端面镀增透膜。通常使用截面为矩形的六面体结构。

反射结构可以直接做到匀光管（3）上，即在匀光管（3）的输入端面（4）上，分两个区域分别镀增透膜和反射膜，光纤（1）输出激光光束对准匀光管（3）的输入端面，输入端面上被激光光束照射的部分（8）镀增透膜，光束没有照射到的部分（9）镀反射膜。在这种结构中，回返光除了照射到增透膜的部分，其他部分全部被反射回匀光管（3），总的反射比例只取决于增透部分的面积占比，只要增透部分足够小，就可以保证尽可能高的反射比例。反射膜可以是金属膜，也可以是介质膜。

上述方案，需要在同一个平面上，部分镀反射膜，部分镀增透膜，实现工艺稍嫌复杂。如果反射结构是与匀光管分离的独立的反射镜，则可以避免镀两种膜的麻烦。反射镜可以是平面镜（5），也可以是凹面镜（6），分别见图2和图3。回返光从匀光管的输入端面（4）反向射出，照到反射镜，被反射镜反射回匀光管（3）。采用这种结构，反射镜上光纤输出的光束通过的部分要开一个通光孔（10），以便光出射，匀光管输入端面（4）镀增透膜。反射镜的表面所镀反射膜，可以是金属膜也可以是介质膜。

光纤（1）和匀光管（3）之间还可以增加透镜（12），输出光束被整形和调整发散角之后再射入匀光管（3），如图4所示。

光纤可以是一根，也可以是多根光纤捆绑输出，或排成阵列输出，如图5、图6所示。

本发明所采用的结构，可以将大部分回返光再次反射回匀光管（3），在提高了激光利用效率的同时，减少了反射造成的影响。同时，该结构具有结构简单、容易实现、成本低的优点。

附图说明

图1采用输入端面镀两种膜的匀光管的结构剖面图。

图2采用分离的平面镜的结构剖面图。

图3采用分离的凹面镜的结构剖面图。

图4为光纤输出光束经过透镜整形后射入匀光管的剖面示意图。

图5用光纤阵列和分离平面镜的结构剖面图。

图6光纤捆绑和用V形槽固定的光纤阵列示意图。

具体实施方式

实施例一

如图1，光纤（1）和匀光管（3）安装在固定装置（2）中。反射结构就是匀光管（3）的输入端面（4）。光纤（1）通常制作成一个光纤连接头的形式，可以是FC、SMA905、D80等各种常见形制，这些连接头的插座可以直接安装在固定装置上。光纤对准匀光管（3）的输入端面（4），输入端面上被激光光束照射的部分为透射窗口（8），镀增透膜，光束通过这一部分照入匀光管。光束没有照射到的部分（9）镀反射膜。照射的位置可以根据情况选择，不必一定是端面（4）的中心。

匀光管（3）输入端面（4）的镀膜，可以采取两步方式。一种方法先将反射部分遮挡，只露出透射窗口（8），在镀膜机里镀增透膜，然后遮挡已做好的透射窗口（8），在其他部分（9）镀反射膜。另一种方法，将输入端面（4）整体镀增透膜，然后遮挡透射窗口（8）部分，在其他部分镀反射膜。反射膜可以是介质膜也可以是金属膜。

在工作面上，工作材料表面的反射光，沿匀光管（3）返回，照射到输入端面（4）。射到反射膜（9）的部分被再次反射回匀光管（3），成为正向传输的光，得到二次利用，再次照射到工作材料表面；射到透射窗口（8）的那部分回返光，会离开匀光管，照射到光纤和其他结构，被耗散掉。

为定量估算回返光的损耗占回返光总能量的比值，以实例说明。光纤（1）输出端为标准SMA905接头，光纤（1）芯径400μm，NA0.22，匀光管（3）截面为12*12mm，光纤（1）距离匀光管（3）输入端面（4）6 mm，可以算得光斑在输入端面（4）上光斑直径为3.0mm。如果按照这个尺寸制作透射窗口（8），则透射窗口面积7.1mm²。假设回返光反向传播到达输入端面（4）时为均匀分布，则回返光损耗比例等于透射窗口（8）和输入端面（4）的面积比，可以算出为4.9%。可见损耗很小，即使产生热量，对输出光装置的影响也很小。

这个方案的优点在于反射结构和匀光管一体，未引入附加元件，结构简单。但是端面镀膜工艺比较复杂。而且透射窗口（8）不能太小，光纤不能太接近，否则对于高功率的激光，光功率密度比较高，对镀膜的要求就高了。而透射窗口（8）越小，回返光的损耗越小，所以这是个矛盾，实际设计中需要平衡考虑。

实施例二

光纤（1）和匀光管（3）安装在固定装置（2）中。反射结构为一个分立的平面反射镜（5），放置于匀光管（3）输入端面（4.0）的前方，也固定在固定装置（2）中。在反射镜中心预留通光孔（10），相当于上例中的透射窗口（8），光纤（1）出光端面就位于孔内，如图2所示。匀光管（3）输入端面（4）镀增透膜。这个方案的好处一是避免了例一中的复杂的镀膜工艺，二是可以在反射镜中心按照光纤的大小开孔，相当于减小透射窗口的面积，减小回返光损耗。

这个方案中，反射镜不能离输出端面（4.0）太近。如果太近，光纤（1）也会靠近匀光管（3）的输出端面（4），照射到输入端面（4.0）上的光斑就小，功率密度会高，对镀膜的要求高；如果距离稍远，匀光管边缘大角度出射的回返光经反射镜（5）反射后不会再回到匀光管（3）内，产生损耗，即如图2所示的离散光（11）。所以，反射镜和匀光管的距离要在实际设计中进行平衡考虑。

实施例三

例二中用平面反射镜（5），边缘的回返光会有损失。将平面镜改为凹面镜（6）可以减小或避免这种损失，如图3所示。在凹面镜（6）中心同样开通光孔（10），凹面镜的尺寸设置为能够接受到所有的回返光，凹面镜的曲率半径设置为能够使回返光全部返回匀光管（3）。回返光到达凹面镜（6），仅有照射到通光孔（10）中的部分未能反射回匀光管而损失掉。这个方案，既可以让光纤（1）与匀光管保持一定距离，使照射到匀光管（3）的输入端面（4）上的光斑足够大，以减小功率密度，也可以保证最大量的回返光被反射回去，回返光的损耗最小。这种结构需要特制的曲面反射镜，同时也需要仔细设计和调节反射镜位置。

一种最简单的方式，采用4F系统。匀光管的输出端面（4.0）位于凹面镜（6）的2倍焦距的地方，这样成像的放大率为1，除了照射到通光孔（10）上的光，所有的光都反射回匀光管，而且光束的角度不变。

实施例四

匀光管将发散光束多次反射，在输出端口上就能得到充分重叠的光束，不均匀性被平均掉。因此，内部反射次数越多，在输出端口的光束就越均匀。如果想增加内部反射次数，有两个选择，一是减小匀光管截面尺寸，二是将光束发散角做大。对于固定的光纤，其出射光束的发散角是有上限的。可以在匀光管和光纤之间加透镜改变发散角，使其变大。当然，使用透镜整形并不限于将发散角扩大，实际应用当中也可能会需要将发散角缩小，以满足匀光管出口端之后的光学系统的需求。

图4所示的两个设计示例。

其一，在光纤（1）和凹面镜（6）之间安置一个透镜（12），透镜（12）将光束发散角压缩，将光束的聚焦点调节在凹面镜（6）的通光孔（10）处。

其二，透镜放置于匀光管（3）和平面镜（5）之间。匀光管（3）的输入端面（4.0）和平面镜（5）与透镜（12）成4F系统。光纤（1）的出光端面位置要偏离平面镜（5），以避免透镜（12）将光纤（1）端面成像在匀光管输入端面（4.0）上，导致光功率密度太高。这种方式可以避免实例二中的边缘大角度回返光损耗问题，这部分光（11.1）通过等倍率成像还可以反射回匀光管。同时，也可以通过光纤（1）出光端面位置的调整来调整射入匀光管（3）的光束的发散角。

实施例五

光纤并不仅限于一根。为了获得更大的功率，用多个激光器，将其输出光纤捆绑在一起（13），或者排列成阵列（14）的方式，见图6。图5所示即为以实施例二为基本结构，将一根光纤换成利用V形槽（15）固定的8路光纤阵列（14）。

固定装置（2）通常会用金属、塑料等材质，它与匀光管接触固定的地方需要做特殊处理，尤其对于高功率应用，直接接触会产生光泄露，导致局部温升。可以减小接触面，也可以在接触的部位的匀光管和固定装置之间用折射率小于匀光管材质的透明物质作为过渡。固定装置也可以不做成几个示例图中那样的一体化形式，匀光管、透镜、反射镜、光纤都可以各自有固定装置，然后再组合起来。

Claims (6)

1.抗反射的激光匀光装置，其特征为：整体结构依次包括光纤、反射结构、匀光管，它们被固定在固定装置中，在反射结构上，光束通过的部分为透光，其他部分为反光。

2.如权利要求1所述的抗反射的激光匀光装置，其特征为：匀光管为玻璃或晶体材质，外形是柱状体或喇叭状，截面可以是正方形、长方形、圆形、椭圆形或任意多边形，所有面均抛光，出射端面镀增透膜。

3.如权利要求1、2所述的抗反射的激光匀光装置，其特征为：反射结构可以直接做到匀光管上，在匀光管的输入端面上，分两个区域分别镀增透膜和反射膜，被激光光束照射的部分镀增透膜，光束没有照射到的部分镀反射膜；反射膜可以是金属膜，也可以是介质膜。

4.如权利要求1、2所述的抗反射的激光匀光装置，其特征为：反射结构可以是分立的反射镜，反射镜可以是平面镜或凹面镜，反射镜中部光束通过的部分有通光孔，光纤的端面位于通光孔中，反射镜表面镀的反射膜可以是金属膜或介质膜。

5.如权利要求1所述的抗反射的激光匀光装置，其特征为：光纤可以是一根，也可以是多根光纤捆绑输出，或排成阵列输出。

6.如权利要求1、2所述的抗反射的激光匀光装置，其特征为：光纤和匀光管之间可以放置光束变换透镜。